TW201424109A - 媒子型光電池系統 - Google Patents

Abstract

一種光觸媒伽凡尼電池系統，包括：一第一槽，更包含一第一媒子與一第一光電極與第一伽凡尼電極，該第一媒子吸收光能以產生第一媒子氧化物提供給該第一伽凡尼電極；以及一第二槽，更包含一第二媒子與一第二光電極與第二伽凡尼電極，該第二媒子吸收光能以產生第二媒子還原物提供給該第二伽凡尼電極，且該第一光電極與該第二光電極間相互電連接。

Description

媒子型光電池系統

本案係關於伽凡尼電池，尤指一種以光觸媒來生成還原劑與氧化劑以自用的伽凡尼電池。

請參閱圖1，為習用技術中的一種伽凡電池示意圖。其中，第一伽凡尼電池1a包括相隔離開的第一槽T1與第二槽T2，第一槽T1內容置一第一鹽溶液AQ1以浸泡一第一金屬M1，而在第二槽T2內則容置一第二鹽溶液AQ2以浸泡一第二金屬M2。且第一、二金屬(M1、M2)則電連接至一負載2，而兩槽則連通一鹽橋SB。第一金屬M1如作為陽極、即氧化端，則失去電子且電子e^-經過負載2抵達第二金屬M2，第一金屬M1則以陽離子的型態儲存在第一鹽溶液AQ1之中，而第二金屬M2則因獲得電子而將第二鹽溶液AQ2內的第二金屬M2的金屬陽離子析出並附著在第二金屬M2上。而第二槽T2內則產生陰離子，與第一金屬的陽離子透過鹽橋SB流通。

請參閱圖2，為另一種習用技術的伽凡尼電池。其中，第二伽凡尼電池1b包括了被離子穿透元件13所分隔的第三槽T3與第四槽T4，且第三槽T3內容置了第三鹽溶液AQ3以浸泡第三金屬M3，第四槽T4內則容置了第四鹽溶液AQ4以浸泡第四金屬M4。第三金屬M3如作為陽極、即氧化端，則失去電子且電子e^-經過負載2抵達第四金屬M4，第三金屬M3則以陽離子的型態儲存在第三鹽溶液 AQ3之中，而第四金屬M4則因獲得電子而將第四鹽溶液AQ4內的第四金屬M4的金屬陽離子析出並附著在第四金屬M4上。而第四槽T4內則產生陰離子，並穿過離子穿透元件13抵達第三槽T3。

習用的伽凡尼電池就如上所述，有變化的通常僅在於其他的伽凡尼電池使用了其他的金屬作為電極、或是使用了其他的鹽溶液作為電解液、或是在電解液中加入輔助藥劑，如果有電解液或是金屬電極耗盡的情形，或是電壓不足的情形，則表示此電池已不堪使用，需要更換零組件或是整個換掉，或是要另外反向的充電以將電池回復到之前未放電的狀態。以更換零組件而言增加了許多的不便，而整個廢棄掉則亦增加了處理廢電池的成本，因此使用伽凡尼電池除了購置與更換成本之外，也有相當高的環境成本。

為此，燃料電池即應運而生。請參閱圖3，為習用技術的燃料電池示意圖。其中揭露燃料電池1主要包含一電池槽10，具有一陰極11與一陽極12，兩者之間則以離子穿透元件13隔開，故而將電池槽10分為一陰極槽10a與一陽極槽10b。並對陰極槽10a輸送氧氣11G、對陽極槽10b輸送氫氣12G，透過電池槽10內的電解物質以及陽極12的作用，氫氣12G被氧化以釋放電子，電子則抵達外部的一負載2，而失去電子後的氫離子、也就是質子，則穿透離子穿透元件13抵達陰極槽10a，且電子亦抵達了陰極11，而氧氣11G亦輸送到陰極槽10a，從而使質子、電子、 與氧氣11G在陰極11的配合下，結合成為水W。

習用技術的燃料電池大致上就如同上述的情形，或許燃料(還原劑)與氧化劑與上述的不同，而燃料電池則經過慎選還原劑(燃料)與氧化劑，就可降低其產生的排放物對環境造成的傷害。而圖1所示的燃料是氫氣、而氧化劑則是氧氣，優點在於其所產生的排放物僅是水而已，對環境的衝擊最小。傳統使用燃料與氧化劑的方法就是使用熱機，如內燃機的汽柴油機與燃氣渦輪機，或是外燃機如蒸氣渦輪機等，將燃料與氧化劑的燃燒產生的能量透過機械結構的轉換以驅動發電機來發電，而燃料電池就是直接將燃料與氧化劑之間的反應的電子的流動作為電力的來源，理論上效率最高、整體體積最小，使用方便。

但是，燃料電池所使用的燃料(還原劑)或氧化劑則或多或少有著儲存條件較為嚴苛的問題，譬如說作為燃料的氫氣與作為氧化劑的氧氣，需要以高壓瓶儲存以提高容量，否則很容易就耗盡。而其他種類的燃料或氧化劑則可能因為活性較高而有其他的條件限制，或是會排放出溫室氣體。因此，本領域急需新的技術可以突破這些限制，使得燃料電池更可以廣泛運用。

爰是之故，申請人有鑑於習知技術之缺失，發明出本案「媒子型光電池系統」，用以改善上述習用手段之缺失。

本創作之目的是為了增進伽凡尼電池，以及燃料電池的使用彈性，降低因還原劑(燃料)與氧化劑的儲存條件或 排放物種類所導致的使用困難度，且更進一步的還可縮小使用體積。本案透過將伽凡尼電池或燃料電池的原理與光觸媒氧化物及還原物的生成原理結合在一起，使得不論是伽凡尼電池或是燃料電池的兩個電極因原料的消耗而產生的廢料，可以因為光觸媒的作用再次回復成未被氧化或未被還原的原料，從而減少、甚至是免除了氣體(氧化物及還原物)儲存的空間需求，亦即，透過光觸媒所生成的物質，直接供應給伽凡尼電池使用。

為了達到上述之目的，本發明提供一種媒子型光電池系統，包括一伽凡尼電池(Galvanic Cell)，具有一伽凡尼電池陽極與一伽凡尼電池陰極；以及一光捕獲部，包括一光捕獲陰極與一光捕獲陽極，其中伽凡尼電池陽極對應光捕獲陰極，而伽凡尼電池陰極對應光捕獲陽極，且光捕獲陰極與光捕獲陽極更透過一導電元件相互電連接，伽凡尼電池陰極與光捕獲陽極之間具有一第一媒子、而伽凡尼電池陽極與光捕獲陰極之間更具有一第二媒子，當第一媒子受光照時即產出氧化物提供給伽凡尼電池陰極，當第二媒子受光照時即產出還原物提供給伽凡尼電池陽極。

為了達到上述之目的，本發明再提供一種光觸媒伽凡尼電池系統，包括：一伽凡尼電池，更包含一陽極，將還原劑氧化，產生電子；以及一陰極，接收電子，使氧化劑還原；一光觸媒設備，更包含：一光陽極端，具有吸收光線以生成氧化劑的光陽極觸媒；一光陰極端，具有吸收光線以生成還原劑的光陰極觸媒；以及一導電元件，將光陽 極端的導帶電子傳導到光陰極價帶端，與電洞結合。

為了達到上述之目的，本發明又提供一種光觸媒伽凡尼電池系統，包括：一第一槽，更包含一第一媒子與一第一光電極與第一伽凡尼電極，該第一媒子吸收光能以產生第一媒子氧化物提供給該第一伽凡尼電極；以及一第二槽，更包含一第二媒子與一第二光電極與第二伽凡尼電極，該第二媒子吸收光能以產生第二媒子還原物提供給該第二伽凡尼電極，且該第一光電極與該第二光電極間相互電連接。

大體上而言，本發明的媒子型光電池系統，包括一伽凡尼電池以及一光觸媒原料生成部。且伽凡尼電池的陽極與光觸媒陰極對應並共同運作，而伽凡尼電池的陰極則與光觸媒陽極對應並共同運作，亦即，在光觸媒陰極因還原而生成的原料，在伽凡尼電池陽極被氧化而產出電子、並傳送到伽凡尼電池陰極，而在光觸媒陽極因氧化而生成的原料則在伽凡尼電池陰極因得到電子而被還原。簡而言之，就是透過光觸媒原理提供原料給伽凡尼電池作為還原劑與氧化劑，並產出電子供給外部負載，而氧化後的還原劑與還原後的氧化劑則又可以供光觸媒來進行光觸媒反應，亦即，將「氧化後的還原劑」以光觸媒再還原，並將「還原後的氧化劑」以光觸媒予以再氧化。

較簡單理解的是以氫氣作為燃料、以氧氣作為氧化劑。氫氣在伽凡尼電池陽極被氧化為氫陽離子，而氫陽離子又在光觸媒陰極被還原成氫氣；相似的，氧氣在伽凡尼電池 陰極極被還原為氧陰離子(通常會存在於水分子中)，而氧陰離子又在光觸媒陽極被氧化成氧氣。而伽凡尼電池陽極的電子經過外部負載後抵達伽凡尼電池陰極；至於光觸媒陽極的電子則透過一導電元件抵達光觸媒陰極。原則上，伽凡尼電池與光觸媒氫氧生成設備可以是各自獨立的空間，而其中伽凡尼電池的陰極與陽極也可以各自獨立，再者，光觸媒還原劑生成部分與氧化劑生成部分亦可以是各自獨立的空間，且各生成部分內可以填充含有水或有機溶劑的媒質。

以下針對本案之「媒子型光電池系統」的各實施例進行描述，請參考附圖，但實際之配置及所採行的方法並不必須完全符合所描述的內容，熟習本技藝者當能在不脫離本案之實際精神及範圍的情況下，做出種種變化及修改。

請參閱圖4，為光觸媒原理示意圖。其中揭露一光觸媒氫氧設備3，包括一水槽30。在水槽30內則有一氧氣端31，具有吸收光線以生成氧氣11G的生氧光觸媒，而水槽30內還有一氫氣端32，具有吸收光線以生成氫氣12G的生氫光觸媒。此外，還包括一導線2’，當氧氣端31的生氧光觸媒因吸收光能而將水分解出氧氣11G時所釋放出的電子導引到氫氣端32，而氫氣端32的生氫光觸媒在接收到電子時且吸收光能，促使水中的氫與電子結合而成為氫氣12G。

請參閱圖5，為本發明的系統示意圖。其中揭露了以 一燃料電池1c作為向一負載2提供電力的電源。燃料電池1c，電連接至一負載2，且還有一光捕獲部3，是透過一氧氣管路11GP與一氫氣管路12GP連通至伽凡電池部1，用以將光捕獲部3因受光線L照射而生成的氫氣與氧氣輸送到燃料電池1c以作為還原劑(燃料)與氧化劑。而當氧氣與氫氣在燃料電池1c產生反應放出電子而結合成為水時，這些水則透過水管WP再回流到光捕獲部3，以作為光觸媒反應時所需的原料。由此可見，本發明可以充分的利用燃料電池反應所產生的排放物，對於環境的乾淨更有助益。此外，為了整體運用的便利性，更可以將燃料電池1與光捕獲部3結合成為一體狀的結構，以利於應用在車輛、船舶上。

請參閱圖6，為本發明的實施例示意圖。本實施例揭露的是伽凡尼電池與光觸媒原理結合的應用，其中揭露一媒子型光電池系統4，含有一第一槽41，該第一槽41內更包含一第一媒子41’與一第一光電極31與第一伽凡尼電極11，第一光電極31與第一伽凡尼電極11則是互相以絕緣體(圖中未揭示)隔絕。系統4還包括一第二槽42，更包含一第二媒子42’與一第二光電極32與第二伽凡尼電極12，第二光電極32與第二伽凡尼電極12則是互相以絕緣體(圖中未揭示)隔絕。

請繼續參閱圖6，本發明的系統運作方法是，第一媒子41’吸收光能以產生第一媒子產物提供給該第一伽凡尼電極11。而該第二媒子42’吸收光能以產生第二媒子產物 提供給該第二伽凡尼電極12，且該第一光電極31與該第二光電極32間相互透過一導電元件2’電連接。

請繼續參閱圖6，第二媒子產物在第二伽凡尼電極12被氧化而產生電子e^-，因而電子e^-離開第二伽凡尼電極12而到一外部負載2，電子e^-並再抵達第一伽凡尼電極11，而在第一伽凡尼電極11得到電子e^-後，還原第一媒子產物。第二媒子產物在第二伽凡尼電極12處被氧化後即成為第二媒子次產物，會被第二光電極32還原而成為第二媒子產物；同理，第一媒子產物在第一伽凡尼電極11被還原後即成為第一媒子次產物，並再被第一光電極31氧化而成為第一媒子產物。

由此可見，若該第一光電極31為陽極，而該第二光電極32為陰極，則該第一媒子產物為氧化劑，而該第二媒子產物為還原劑。更進一步的來說，此氧化劑可為氧、而該還原劑則可為氫，所以若以氫氧為主，則媒子就至少包含水。此外，本發明的系統可以加入共觸媒。此外，為了光觸媒效應的充分反應，各電極可選用透明導電物質製造。

由圖6的實施例可知，此實施例的特色在於兩槽(41、42)之中各自的伽凡尼電池電極(11、12)、光電極(31、32)與兩槽內各自的媒子(41’、42’)是共存的，亦即，在第一槽41中，同時包含了第一伽凡尼電極11、第一光電極31、與第一媒子41’。同樣的，在第二槽42中，同時包含了第二伽凡尼電極12、第二光電極32、與第二媒子42’。使得因光觸媒效應所產生的產物可以直接供給伽凡尼電池使用 而不需要額外的管路、通道等元件來輸送產物，而產物被氧化或還原之後的次產物亦同時存在於各槽內以供各光電極使用，因此可以有效的縮小體積，使本發明的光觸媒伽凡尼電池的體積得以緊緻化。

綜上所述，本發明「媒子型光電池系統」就是將可產生還原劑與氧化劑的光觸媒裝置與伽凡尼電池結合在一起，主要特徵在於藉由吸收光能即可發電，但異於依賴光伏原理(photovoltaics)的一般太陽能發電電池。媒子型光電池系統具備不同特點：(1)原理上依據自然界光合作用Z-scheme方式進行，因此可按所吸收光之能量，選擇合適的光陰極與光陽極光觸媒，使得(半導體)材料的選擇彈性增加，理論上可以吸收更多太陽光譜區段的能量；(2)不同於一般光伏太陽能，本發明的系統係由光能轉化化學能再轉化成電能；(3)製程上不需要像矽晶太陽能電池材料或部分薄膜太陽能材料需要依賴高耗能的真空條件；(4)不需使用質子交換薄膜或是其他透氣膜，避免受機械或化學應力影響而導致老化或性能衰退現象的發生；(5)一般伽凡尼電池依賴不間斷的氣體與燃料供應，方能持續運作；而本系統無需額外的氣體與燃料的供應管線或儲存裝置，是一內建與完整的自給自足發電系統。尤其是利用光觸媒所產生的產物當作伽凡電池的原料，例如以氫氣、氧氣而言，使光觸媒水分解產生的還原劑與氧化物，來供給伽凡尼電池使用，所得之氫離子與水可被用於後續的光觸媒水分解反應，如此即可達到一個密閉循環的電力系統，降低對於環境的影響， 可保持使用環境的乾淨整潔。由此可見，本發明的構想就是在如何充分利用伽凡尼電池的排放物，而利用的方法就是使用適當的光觸媒裝置來將此排放物分解成可以再度供給伽凡尼電池使用的還原劑與氧化劑，解決了以往伽凡尼電池的燃料與氧化劑補充不易、補充站點稀少的缺點，提高了伽凡尼電池的續航力，可見本發明對於伽凡尼電池領域的應用，尤其是應用於機動設備如車輛船舶、或是可攜式電子裝置如各式電腦與手機，具有莫大的貢獻。

實施例：

1.一種媒子型光電池系統，包括一伽凡尼電池(Galvanic Cell)，具有一伽凡尼電池陽極與一伽凡尼電池陰極；以及一光捕獲部，包括一光捕獲陰極與一光捕獲陽極，其中伽凡電池陽極對應光捕獲陰極，而伽凡尼電池陰極對應光捕獲陽極，且光捕獲陰極與光捕獲陽極更透過一導電元件相互電連接，伽凡電池陰極與光捕獲陽極之間具有一第一媒子、而伽凡尼電池陽極與光捕獲陰極之間更具有一第二媒子，當第一媒子受光照時即產出氧化物提供給伽凡尼電池陰極，當第二媒子受光照時即產出還原物提供給伽凡尼電池陽極。

2.如實施例1所述的系統，其中第一媒子或第二媒子所存在的媒質包含水或有機溶液。

3.如實施例1所述的系統，其中第一媒子與第二媒子所存在的媒質相同。

4.如實施例1所述的系統，其中電連接光捕獲陰極與 光捕獲陽極的導電元件為透明導電體。

如實施例1所述的系統，其中該伽凡尼電池具有一電力輸出埠以驅動一負載。

如實施例1所述的系統，其中該第一媒子與該第二媒子至少包含一種的氧化還原對媒子(redox mediator)。

一種光觸媒伽凡尼電池系統，包括：一伽凡尼電池，更包含一陽極，將氫氧化，產生電子與氫離子；以及一陰極，接收電子，使氧還原成為水；一光觸媒氫氧設備，更包含：一光陽極產氧端，具有吸收光線以生成氧的生氧光觸媒；一光陰極產氫端，具有吸收光線以生成氫的生氫光觸媒；以及一導電元件，將光陽極產氧端的電子傳導到產氫光陰極端。

8.如實施例7所述的系統，其中該陽極與該陰極各自存在於一槽體中。

9.如實施例7所述的系統，其中該光觸媒氫氧設備所吸收的光譜波長是自紫外光至紅外光。

10.一種光觸媒伽凡尼電池系統，包括：一第一槽，更包含一第一媒子與一第一光電極與第一伽凡尼電極，該第一媒子吸收光能以產生第一媒子產物提供給該第一伽凡尼電極；以及一第二槽，更包含一第二媒子與一第二光電極與第二伽凡尼電極，該第二媒子吸收光能以產生第二媒子產物提供給該第二伽凡尼電極，且該第一光電極與該第二光電極間相互電連接。

11.如實施例10所述的系統，更包含一共觸媒。

12.如實施例10所述的系統，其中該共觸媒是作為一犧牲試劑、或一觸媒擔體、或包含於所述各光電極或各伽凡尼電極內以作為各電極的製造材料中的一種。

13.如實施例10所述的系統，其中如該第一光電極為陽極，而該第二光電極為陰極，則該第一媒子產物為氧化劑，而該第二媒子產物為燃料。

14.如實施例13所述的系統，其中該氧化劑為氧氣，而該燃料則為氫氣。

15.如實施例10所述的系統，其中該第一光電極與該第二光電極可外接一負載。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例，雖遭熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

1‧‧‧伽凡尼電池

1a‧‧‧第一伽凡尼電池

1b‧‧‧第二伽凡尼電池

1c‧‧‧燃料電池

10‧‧‧電池槽

10a‧‧‧陰極槽

10b‧‧‧陽極槽

11‧‧‧陰極、第一伽凡尼電極

11G‧‧‧氧氣

11GP‧‧‧氧氣管路

12‧‧‧陽極、第二伽凡尼電極

12G‧‧‧氫氣

12GP‧‧‧氫氣管路

13‧‧‧離子穿透元件、質子穿透元件

2‧‧‧負載

2’‧‧‧導電元件

3‧‧‧光捕獲部、光觸媒氫氧設備

30‧‧‧水槽

31‧‧‧氧氣端、光觸媒陽極、第一光電極

32‧‧‧氫氣端、光觸媒陰極、第二光電極

4‧‧‧媒子型光電池系統

41‧‧‧第一槽

41’‧‧‧第一媒子

42‧‧‧第二槽

42’‧‧‧第二媒子

e^-‧‧‧電子

L‧‧‧光線

AQ1‧‧‧第一鹽溶液

AQ2‧‧‧第二鹽溶液

AQ3‧‧‧第三鹽溶液

AQ4‧‧‧第四鹽溶液

SB‧‧‧鹽橋

T1‧‧‧第一槽

T2‧‧‧第二槽

T3‧‧‧第三槽

T4‧‧‧第四槽

M1‧‧‧第一金屬

M2‧‧‧第二金屬

M3‧‧‧第三金屬

M4‧‧‧第四金屬

圖1，為習用技術中的一種伽凡電池示意圖；圖2，為另一種習用技術的伽凡電池示意圖；圖3，為習用技術的伽凡尼電池示意圖；圖4，為光觸媒原理示意圖；圖5，為本發明一實施例的系統示意圖；以及圖6，為本發明的另一實施例示意圖。

11‧‧‧第一伽凡尼電極

12‧‧‧第二伽凡尼電極

2‧‧‧負載

2’‧‧‧導電元件

31‧‧‧第一光電極

32‧‧‧第二光電極

4‧‧‧媒子型光電池系統

41‧‧‧第一槽

41’‧‧‧第一媒子

42‧‧‧第二槽

42’‧‧‧第二媒子

e^-‧‧‧電子

Claims (14)

1. 一種媒子型光電池系統，包括：一伽凡尼電池(Galvanic Cell)，具有一伽凡尼電池陽極與一伽凡尼電池陰極；以及一光捕獲部，包括一光捕獲陰極與一光捕獲陽極，其中伽凡電池陽極對應光捕獲陰極，而伽凡電池陰極對應光捕獲陽極，且光捕獲陰極與光捕獲陽極更透過一導電元件相互電連接；伽凡尼電池陰極與光捕獲陽極之間具有一第一媒子、而伽凡尼電池陽極與光捕獲陰極之間更具有一第二媒子，當第一媒子受光照時即產出氧化物提供給伽凡尼電池陰極，當第二媒子受光照時即產出還原物提供給伽凡尼電池陽極。
2. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中第一媒子或第二媒子所存在的媒質包含水或有機溶液。
3. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中第一媒子與第二媒子所存在的媒質相同。
4. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中電連接光捕獲陰極與光捕獲陽極的導電元件為透明導電體。
5. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中該伽凡尼電池具有一電力輸出埠以驅動一負載。
6. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中該第一媒子與該第二媒子至少包含一種的氧化還原對媒子(redox mediators)。
7. 一種以水作為媒子的光觸媒伽凡尼電池系統，包括： 一伽凡尼電池，更包含：一陽極，將氫氣氧化，產生電子與氫離子；以及一陰極，接收電子，使氧還原成為水；一光觸媒氫氧設備，更包含：一光捕獲陽極產氧端，具有吸收光線以生成氧的生氧光觸媒；一光捕獲陰極產氫端，具有吸收光線以生成氫的生氫光觸媒；以及一導電元件，將光捕獲陽極產氧端的電子傳導到產氫光陰極端。
8. 如申請專利範圍第7項所述的系統，其中該伽凡尼電池的陽極與該光捕獲陰極產氫端是共同存在於一空間內，而該伽凡尼電池的陰極與該光捕獲陽極產氧端是共存於另一空間內，且該二個空間內均包含媒子。
9. 如申請專利範圍第7項所述的系統，其中該光觸媒氫氧設備所吸收的光譜波長是自紫外光至紅外光。
10. 一種光觸媒伽凡尼電池系統，包括：一第一槽，更包含一第一媒子與一第一光電極與第一伽凡尼電極，該第一媒子吸收光能以產生第一媒子產物提供給該第一伽凡尼電極；以及一第二槽，更包含一第二媒子與一第二光電極與第二伽凡尼電極，該第二媒子吸收光能以產生第二媒子產物提供給該第二伽凡尼電極，且該第一光電極與該第二光電極間相互電連接。
11. 如申請專利範圍第10項所述的系統，更包含一共觸媒。
12. 如申請專利範圍第11項所述的系統，其中該共觸媒是作為一犧牲試劑、或一觸媒擔體、或包含於所述各光電極或各伽凡尼電極內。
13. 如申請專利範圍第10項所述的系統，其中如該第一光電極為陽極，而該第二光電極為陰極，則該第一媒子產物為氧化劑，而該第二媒子產物為還原劑。
14. 如申請專利範圍第13項所述的系統，其中該氧化劑為氧，而該還原劑則為氫。